Introducción
La transición hacia una economía eléctrica impulsada por energías renovables afectará a todas las partes de nuestra sociedad. Las nuevas tecnologías y las soluciones innovadoras desempeñarán un papel fundamental para posibilitar esta transición. La red eléctrica, la microgeneración de energía y la electrificación del calor, y también el transporte requerirán la adaptación de los sistemas de suministro y distribución existentes, de un sistema centralizado a una red inteligente más descentralizada, con flujos bidireccionales de energía e información. Un desafío clave es cómo lidiar con la intermitencia de las energías renovables, como la energía eólica y solar, mediante el cambio inteligente de nuestros patrones de demanda de energía para que coincidan con el suministro de energía, asistido por el uso de almacenamiento de energía térmica y eléctrica.
Bombas de calor
En una economía eléctrica futura basada en energías renovables, las bombas de calor proporcionan el medio más eficiente de utilizar electricidad generada de forma renovable para suministrar calefacción y refrigeración a los edificios. Para comprender cómo funciona una bomba de calor, es útil comprender la relación entre el calor y la temperatura. El flujo de calor en el entorno natural está impulsado por las diferencias de temperatura. Una gran cantidad de calor se almacena en depósitos de energía naturales de baja temperatura, como el aire, el suelo y las masas de agua como ríos, lagos y estanques. Estas fuentes pueden considerarse renovables, porque son calentadas naturalmente por el sol y la energía geotérmica.
Las bombas de calor funcionan utilizando energía eléctrica para “bombear” calor desde estos depósitos de baja temperatura y llevarlo como calefacción útil a una temperatura más alta donde se necesita. En algunos casos, la dirección de la bomba de calor puede invertirse para proporcionar refrigeración, a menudo consumiendo menos energía eléctrica que cuando se calienta porque funciona en la misma dirección que el flujo natural de calor (en este caso, de un ambiente interior de mayor temperatura a un ambiente exterior de temperatura más baja).
En edificios, la mayor parte de nuestra demanda de energía térmica es para calentar o enfriar espacios, con el fin de mantenernos cómodos, o para usar agua caliente para cocinar, limpiar y lavar. Las ubicaciones geográficas de las islas que son el foco del proyecto REACT tienen una combinación de edificios de propiedad comunitaria y privada, cada uno con requisitos muy diferentes de energía térmica. Como resultado, la provisión de esta energía térmica requiere diferentes tipos de bombas de calor según la ubicación y el tipo de edificio.
Lugares para mostrar REACT
El proyecto REACT incluye tres islas de demostración: Inis Mór, perteneciente a un pequeño grupo de islas conocidas colectivamente como las Islas Aran, en el oeste de Irlanda; La isla de San Pietro, ubicada en el mar Mediterráneo frente a la costa suroeste de Cerdeña, Italia; y la isla de La Graciosa, la más pequeña y menos poblada de las Islas Canarias españolas. Cada una de estas tres islas tiene características climáticas diferentes, como se muestra en la Ilustración 1.
Inis Mór es una muestra típica de un clima del norte de Europa, en el que la demanda de energía térmica durante todo el año está dominada por la calefacción en invierno en lugar de la refrigeración en verano. Los edificios residenciales tienden a tener sistemas de calefacción a base de agua, que entregan calor al espacio interior a través de emisores como radiadores o calefacción por suelo radiante. Los sistemas de calefacción a base de agua son altamente efectivos porque el agua tiene una alta densidad energética en comparación con el aire y se puede utilizar para suministrar grandes cantidades de calor en pequeños volúmenes o para almacenar para su uso posterior.
Las bombas de calor de fuente de aire y de fuente terrestre son adecuadas para la integración con sistemas de calefacción a base de agua en edificios residenciales o comerciales. Las bombas de calor aire-agua (ATW), en particular, se pueden instalar fácilmente como sustitutas de las antiguas calderas de combustibles fósiles. En las islas Aran, se han instalado bombas de calor ATW en muchos hogares en los últimos años como parte de la iniciativa Energía limpia para las islas de la UE para reducir los costes energéticos y la dependencia de las islas costeras en las importaciones de combustible [1]. Al igual que las calderas, las bombas de calor ATW también pueden proporcionar agua caliente para uso doméstico. Las bombas de calor ATW a menudo se instalan con un cilindro de agua caliente que se puede calentar cuando el costo de la electricidad es bajo, antes de los períodos de máxima demanda.
La isla de San Pietro es típica de un clima mediterráneo, con una alta demanda de refrigeración durante el verano. Las casas residenciales a menudo están equipadas con contraventanas para mantener fresco el espacio interior cuando el calor del sol es más intenso, y muchos edificios también tienen sistemas de aire acondicionado eléctricos. Para edificios pequeños y medianos, estos sistemas tienden a basarse en bombas de calor aire-aire (ATA), que enfrían el aire directamente sin necesidad de circulación de agua. El calor se extrae del aire en el espacio habitable y se expulsa al exterior. La mayoría de los sistemas de bomba de calor ATA también tienden a ser reversibles y se pueden configurar para proporcionar calefacción en invierno cambiando la dirección del flujo de calor.
A diferencia de San Pietro y las Islas Aran, la Isla La Graciosa se encuentra en una parte del Océano Atlántico que experimenta temperaturas estacionales muy suaves con poca variación a lo largo del año; como resultado, es poca energía la necesaria para la refrigeración en verano o la calefacción de espacios en invierno. Para esta isla, la mayor parte de la demanda de energía térmica en los edificios es para calefacción de agua caliente sanitaria.
Almacenamiento de energía y respuesta a la demanda
Los sistemas de bombas de calor, junto con las tecnologías de almacenamiento de energía, permiten compensar el momento en que se consume la energía de calefacción o refrigeración con el momento en que se genera la energía eléctrica. Este es un concepto central de lo que se denomina gestión del lado de la demanda o respuesta a la demanda, que permite maximizar la fracción de la demanda de energía que se puede satisfacer mediante fuentes de energía renovables intermitentes.
La Ilustración 2 muestra tres trayectorias de flujo mediante las cuales las bombas de calor y el almacenamiento de energía se pueden utilizar para desacoplar el lado de la oferta y el lado de la demanda del uso de energía térmica en los edificios. Cada ruta representa una secuencia diferente para la generación, conversión, almacenamiento y consumo de energía.
En la ruta de flujo de energía A, la energía eléctrica generada a partir de fuentes renovables se almacena primero en una batería eléctrica antes de ser convertida en energía térmica por la bomba de calor y entregada para uso final como calefacción o refrigeración de espacios. En la ruta de flujo B, el proceso de conversión de energía ocurre antes del almacenamiento, con la bomba de calor convirtiendo primero la energía eléctrica en energía térmica en forma de agua caliente, que se almacena en un cilindro para uso doméstico posterior. La ruta de flujo de energía C muestra una secuencia mediante la cual el edificio en sí puede usarse como un acumulador de energía térmica, que es precalentado o pre-enfriado por la bomba de calor antes de un período ocupado [5].
Cada uno de estos enfoques para el almacenamiento y la gestión de energía tiene sus propios desafíos técnicos para lograr la máxima eficacia mientras se mantiene la comodidad y conveniencia del usuario final. Son estos desafíos los que proporcionan la motivación para el proyecto REACT. Los tres sitios de demostración que forman el núcleo del proyecto brindarán juntos una oportunidad única para implementar estrategias avanzadas de control de respuesta a la demanda de energía en una amplia gama de tipos de edificios y ubicaciones geográficas. Durante el período de validación del proyecto, la plataforma REACT basada en la nube constituirá el punto central para recopilar información para evaluar y mejorar la solución REACT ICT, combinada con comentarios interactivos de los participantes del proyecto. Los objetivos del proyecto incluyen un plan de replicación para ampliar la solución a fin de enfrentarse al desafío de la independencia energética a nivel de toda la isla.
Comunicación e interoperabilidad
Un elemento central de la solución REACT será el concepto de hogares conectados, que exploraremos más a fondo en publicaciones posteriores.
Agradecimiento
Este proyecto ha recibido financiación del programa de investigación e innovación Horizonte 2020 de la Unión Europea en virtud del Acuerdo de subvención nº 824395.
Autores
James Freeman, Research Engineer, Mitsubishi Electric R&D Centre Europe B.V.
Daniel Coakley, Senior Research Engineer, Mitsubishi Electric R&D Centre Europe B.V.
Referencias
- European Commission (2017). Clean energy for EU islands. https://ec.europa.eu/energy/topics/renewable-energy/initiatives-and-events/clean-energy-eu-islands_en.
- National Aeronautics and Space Administration (2019). Modern-Era Retrospective Analysis for Research and Applications, Version 2. Meteorological data, Inis Mór. Retrieved from http://gmao.gsfc.nasa.gov/reanalysis/MERRA-2.
- Meteoblue. (2019). Modelled climate data for Isla Graciosa. Retrieved from https://www.meteoblue.com/en/weather/historyclimate/climatemodelled/islagraciosa_espa%C3%B1a_2517127
- World Weather Online. (2019). Carloforte Historical Weather. Retrieved from https://www.worldweatheronline.com/carloforte-weather-history/sardegna/it.aspx
- T. Sweetnam, M. Fell, E. Oikonomou, and T. Oreszczyn (2019). Domestic demand-side response with heat pumps: controls and tariffs. Building Research & Information 47(4), 344-361. https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/09613218.2018.1442775
